基于MPS4021的20WLED驱动电源设计

周有平，罗中良，陈国杰

（1.佛山科学技术学院 理学院，广东 佛山 528000；2.惠州学院 计算机系，广东 惠州 516007）

1 引言

LED是本世纪最新发展的环保型光源，具有发光效率高、发光单色性好、寿命长和节能环保等诸多优点，是继白炽灯、节能灯后的又一次照明革命，被誉为第四代光源。从2012年10月开始，国家将按照计划逐步停止进口和销售普通白炽灯，LED照明将得到全面的推广。随着技术的发展，大功率LED的特性将日趋完善。但实际中LED灯具寿命却远小于LED寿命，其中制约的关键是灯具中寿命最短的驱动电源，因此驱动电源的好坏影响了LED灯具的应用。由于当前LED照明还未形成正规的标准，在现有的LED驱动电源设计过程中存在着较大的差异。国内市场上存在降低成本的不良竞争，在驱动电源中普遍采用阻容降压和非隔离方案，导致电源性能不良而影响LED灯具的寿命和安全。随着LED在照明、背光等场合的深入应用，市场对驱动电源的要求越来越高，近年来，采用原边反馈方式设计的LED驱动电源发展迅速，与传统的副边反馈光耦加TL431的结构相比，其最大的优势在于省去了两个芯片以及与之配合工作的一系列元器件，这样就节省了系统板上的空间，降低了成本并且提高了系统的可靠性。

2 驱动电路设计

本文针对市场上照明应用，采用MPS4021为主芯片的原边反馈方案进行20WLED驱动电源设计。该方案充分利用芯片的集成功率因数校正电路和独特的MOSFET控制技术，通过原边反馈实现对输出电流的精准恒流控制，并对过流、过压等安全电路和变压器进行了设计。芯片引脚图如图1所示。

图1 MP4021芯片引脚图

2.1 驱动电源设计要求

驱动电源LED负载采用266颗3528灯珠芯片进行14串19并排列，每颗灯珠正向导通电压Vf为3.0V－3.4V，工作电流If为20mA，整灯电压额定值为45V、电流额定值为380mA，光功率约为17W，设计要求驱动电源效率大于85%，则电源输入功率约为20W。

根据以上LED负载参数要求，本文采用MPS4021为主芯片的原边反馈方案进行20WLED驱动电源设计。要求在全电压100V－240V输入范围内，功率因数满足能源之星固态照明大于0.9的要求，电磁干扰 EMI（Electro Magnetic Interference）符合EN55015的限制要求，输出电流精度达到±5%，并且效率达到85%以上符合高能效设计要求，使用寿命大于3万小时符合长寿命要求，并具备有过流保护和过压保护功能。具体电路原理图如图2所示，设计基本参数如表1所示。

图2 驱动电源电路原理图

表1 驱动电源设计基本参数表

2.2 恒流电路设计

原边反馈方案主要是通过检查初级峰值电流来控制次级峰值电流达到恒定输出电流，具体计算如下：

输出电流：

次级峰值电流

由式（1）（2）可得输出电流：

由式（3）可求的检测电阻

在实际调试中R12A、R12B、R12C、R12D选择2.4Ω电阻可达到输出380mA电流。

2.3 过流电路设计

MPS4021芯片的ZCD PIN在MOS导通时作为电流的过流检测引脚，具体设计最大峰值电流如下：

由（4）式可得最大峰值电流为：

当R15取560Ω和R16取2KΩ是最大峰值电流为：

由式（5）可知，只要设计好R15、R16的值即可精确的控制初级峰值电流。当输出发生短路时，初级电流将超过Is＿pk从而使芯片自动进入过流保护模式。

2.4 过压电路设计

MPS4021芯片的ZCD PIN在MOS关断时作为次级输出电压的过压检测引脚，具体设计输出最大电压如下：

由式（6）可得最大输出电压为：

当R13取56KΩ和R14取25KΩ是最大输出电压为：

由式（7）可知，通过次级绕组与辅助绕组的比例关系Ns／Na和确定R13、R14的取值大小即可精确的调整最大输出电压。当输出过电压时，ZCD PIN的检测电压将大于5.4V，从而使芯片自动进入过压保护模式。

3 变压器设计

隔离反激式开关电源电路以其低廉成本、结构简单和易实现多路输出等优点，在小于100W的LED驱动电源设计中被广泛采用，其设计核心之一就是反激式变压器的设计，合理设计会让电源效率较高且控制环路容易稳定。

变压器的选型上本设计选择的是ED25铁氧体磁芯，磁芯峰值磁通密度 ，磁芯最大窗口面积 ，并在设计的过程中计算出最小气隙，防止变压器进入饱和状态。由于反激式开关变压器在电路中起储能和电感作用，在设计中对于电感主要是确定初级绕组的电感量和各绕组之间的匝数比。其中主要通过匝数改变的初级绕组的电感量可决定电源的输出功率，在计算上述两个参数的同时，涉及了驱动电源的输入输出功率、效率和开关频率等问题。针对本设计的电源要求，设计计算过程如下：

3.1 设计要求参数

输出电流Iout＝0.38A；

输出电压Uout＝45V；

最大输出功率Po＿max＝Iout＊Uout＝17.1W；

电源效率η＝85%；

最大占空比Dmax＝0.45；

电源工作频率f＝100 KHz；

磁芯最大窗口面积Ae＝38mm2；

磁芯峰值磁通密度B＝0.25T。

3.2 初级绕组感量计算

在100VAC输入并考虑电网波动时的最小直流输入电压，本设计取Vdc＿min＝80V。

3.3 绕组匝数的计算

初级绕组实际取值Ns＝38匝；

输出整流二极管压降Vd＝0.6V；

次级绕组实际取值Ns＝17匝；

根据芯片供电电压，可知辅助绕组电压Vaux＝15V；

辅助绕组实际取值Naux＿min＝6匝。

3.4 变压器气隙的计算

磁芯最小气隙 。

3.5 漆包线线径的计算

4 结语

本文针对市场上照明应用，采用MPS4021为主芯片的原边反馈方案进行20WLED驱动电源设计，该方案充分利用芯片的集成功率因数校正电路和独特的MOSFET控制技术，通过原边反馈实现对输出电流的精准恒流控制，在全电压范围内输出电流精度达±5%、功率因数大于0.9、效率大于85%，使用寿命大于3万小时，电磁干扰符合EN55015限制要求，并且具备有过流保护和过压保护功能。同时，设计的原边反馈方案采用初次级隔离并省去了副边反馈电路，提高了驱动电源的安全性和可靠性并节约了BOM成本。

［1］李振森，徐军明，丁红斌，等.高功率因素反激式开关电源变压器的设计［J］.电力电子技术，2010，44（2）：83－85.

［2］靳文汇，范蟠果，闫少雄.一种反激式开关电源变压器改进设计方法研究［J］.电力电子技术，2009，43（1）：62－63.

［3］张准，陈晓冰.大功率LED恒流驱动电源设计［J］.现代电子技术，2012，35（16）：164－166，170.

［4］Santayana Maniktala.开关电源设计与优化［M］.王志强，译.北京：电子工业出版社，2006.

［5］刘凤君.现代高频开关电源技术及应用［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［6］王兆安，黄俊 .电力电子技术［M］.北京：机械工业出版，2002.

［7］杨恒 .LED照明驱动器设计步骤详解［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［8］Marty Brown.电源设计指南［M］.2版.北京：机械工业出版社，2004.

［9］Steve Winder.LED驱动电路设计［M］.北京：人民邮电出版社，2009.

［10］Abraham I pressman.开关电源设计［M］.3版.北京：电子工业出版社，2010.

［11］邱关源，罗先觉 .电路［M］.5版.北京：高等教育出版社，2006.

［12］Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［13］董晓伟，裴云庆，曹建安，等.一种新型单级PFC变换器的研究［J］.电力电子技术，2004，38（4）：17－19.